ФЛЮС ДЛЯ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ СВАРКИ Российский патент 2007 года по МПК B23K35/362 

Изобретение относится к области сварки, в частности к составам флюсов, используемых для механизированной сварки с повышенной скоростью, применяемых для восстановления изношенных деталей, работающих в условиях абразивного износа.

Известен сварочный флюс повышенной основности (А.с. 353804, бюл. №30 от 9.10.72 г.), содержащий следующие компоненты, в %: SiO₂ - 28,5...33; MnO - 28,5...35; CaO - 29...31; CaF₂ - 5...7; Al₂О₃ - до 3,5; MgO - до 2; Fe₂O₃ - до 1,5; S и Р не более 0,2. Данный флюс имеет повышенную гигроскопичность и при наплавке, сварке при помощи него наблюдается «побитость» шва, так как флюс «короткий», при этом присутствуют кристаллизационные трещины.

Известен сварочный флюс повышенной основности (А.с. 2116183 от 27.07.98 г.) имеющий следующий состав, мас.%: SiO₂ - 30...34; MnO - 30...34; CaO - до 5; CaF₂ - 5...7; Al₂O₃ - до 1,5; MgO - 26...28; Fe₂О₃ - до 1,5; S и Р до 0,2. Указанный флюс обладает высокой гигроскопичностью, не обеспечивает полного отделения шлаковой корки при повышенных скоростях сварки и не устраняет кристаллизационные трещины.

Известен флюс для электродуговой сварки (А.с. 2107601, бюл. №9 от 27.03.98 г. - прототип), применяемый для наплавки конструкционных сталей и чугунов, имеющий следующий состав, мас.%: SiO₂ - 29...33; MnO - 24...26; MgO - 24...26; СаО - 4...6; CaF₂ - 4...6; Al₂О₃ - до 2,5; Fe₂O₃ - до 1,5; S и Р до 0,2, при этом отношении содержания основных и кислых окислов составляет 1,3...1,34. При наплавке под данным флюсом при повышенных температурах затрудняется отделимость шлаковой корки, также недостатком данного флюса является неудовлетворительная сопротивляемость наплавленного метала абразивному износу, не устраняет появление кристаллизационных трещин в наплавленном слое.

Технической задачей изобретения является повышение сварочно-технологических свойств флюса и обеспечение более высоких качественных характеристик наплавленного металла.

Задача достигается тем, что флюс для электродуговой сварки содержит SiO₂, MnO, CaO, CaF₂, MgO, Al₂О₃, Fe₂О₃, TiO₂, S и Р, отличающийся тем, что компоненты взяты при следующем соотношении, мас.%:

SiO₂28-34MnO24-29MgO18-22CaO5-7CaF₂5-7Al₂O₃до 5Fe₂О₃до 2,5TiO₂до 2,5Sдо 0,2Рдо 0,2

при этом отношение содержания основных и кислых окислов составляет 1,10-1,16.

Наличие в предлагаемом веществе изобретения доказывается тем, что в состав предлагаемого сварочного флюса вводим относительно термически прочные оксиды титана и алюминия. При увеличении температуры сварочная металлическая ванна при наличии во флюсе TiO₂ и Al₂O₃ может обогащаться титаном и алюминием. Исследования показывают, что с увеличением содержания TiO₂ во флюсе возрастает его окислительная способность по отношению не только к углероду и кремнию, но и к марганцу, а с повышением содержания Al₂О₃ во флюсе возрастает его окислительная способность в отношении углерода и кремния. Основная причина проявления окислительных свойств флюсов с TiO₂ и Al₂O₃ - обменные реакции указанных оксидов с углеродом и кремнием. Сродство углерода к кислороду повышается с увеличением температуры, поэтому окисление его оксидами титана и алюминия не может вызывать сомнений, тем более что с увеличением содержания во флюсе TiO₂ и Al₂О₃ концентрация углерода в металле шва заметно понижается.

Оригинальность предлагаемого флюса заключается в том, что в его состав вводим оксид титана. Присутствие его в составе флюса способствует протеканию в сварочной ванне восстановления титана из TiO₂ кремнием. Наплавленный под предлагаемым флюсом металл закаливается при естественном охлаждении на воздухе и имеет износостойкость, превышающую уровень закаленной стали, что повышает стойкость абразивного износа. Также при повышенных температурах не наблюдается затруднения отделения шлаковой корки

Описание состава флюса и его влияние на процесс наплавки.

Опытно-экспериментальным путем установлено, что для наплавки деталей диаметром до 100 мм в составе флюса содержание SiO₂ должно быть 28...34%, так как при большем или меньшем содержании происходит ухудшение формирующих свойств флюса.

Но такое содержание SiO₂, хотя и улучшает технологические характеристики флюса, ведет к повышению содержания кремния в наплавленном слое и засорению металла нежелательными силикатными включениями. Устранение указанного противоречия решается с помощью подбора оптимального соотношения между SiO₂ и MnO, MgO, CaO, которые снижают термодинамическую активность SiO₂.

Данное соотношение определяется основностью флюса, являющейся характеристикой, обеспечивающей качественное формирование наплавленного слоя. Основность также влияет на реакционную способность флюса в зоне плавления и позволяет дифференцированно изменять влияние отдельных компонентов и их соотношений на процесс изменения содержания кремния и марганца в наплавленном металле. Содержание MnO должно обеспечивать протекание марганцевосстановительного процесса при условии, что содержание марганца в наплавленном слое превышает содержание кремния в 1,5...2 раза. Исходя из этого, содержание MnO должно быть в пределах 24...29%, но при этом возрастает опасность образования кристаллизационных трещин, которая может быть устранена путем введения в состав флюса MgO и СаО. Процентное соотношение между MgO и СаО во флюсе обуславливается основностью флюса В=1,10...1,16, что также обеспечивает оптимальное соотношение кремния и марганца в наплавленном металле и позволяет снизить критическую скорость закалки, получить эффект самозакаливания наплавленного металла при естественном охлаждении на воздухе, а следовательно, повышение износостойкости полученных после наплавки поверхностей.

Для определения численного значения основности использовалась формула (см. Б.П.Конищев, С.А.Курланов, Н.Н.Потапов и др. Сварочные материалы для дуговой сварки, стр.86)

где СаО, MgO, MnO, Fe₂О₃, CaF₂ - концентрация основных оксидов и фторида, вес.%;

SiO₂, TiO₂, Al₂О₃, Fe₂O₃ - концентрация кислых оксидов, вес.%.

Содержание основных оксидов должно быть MgO - 18...22%, СаО - 5...7%. При таком содержании оксида кальция и оксида магния позволяет улучшить сварочно-технологические свойства флюса при высоком качестве наплавленного металла. Введение 5...7% CaF₂ обеспечивает достаточную стойкость наплавленного слоя против образования пор при сварке без ухудшения технологических и металлургических характеристик флюса.

Окислы Al₂О₃ - до 5%, Fe₂О₃ - до 2,5%, TiO₂ - до 2,5% являются примесями в составе флюса и выбранные их количественные пределы не снижают технологических и металлургических показателей флюса.

Ограниченное содержание серы и фосфора до 0,2% в составе флюса позволяет свести к минимуму вероятность попадания их в наплавленный слой при наплавке, и тем самым уменьшается опасность возникновения кристаллизационных трещин в наплавленном слое.

Пример конкретного использования флюса

Для экспериментальной проверки заявляемого состава были приготовлены шесть смесей ингредиентов, один из которых показал оптимальные результаты (см. таблицу).

При выплавке опытной партии флюса применяли следующие сырьевые материалы: марганцевая руда, песок кварцевый по ГОСТ 2238-76, магнезит каустический по ГОСТ 1.216-71, плавиковый шпат.

Указанные сырьевые материалы переплавляли в дуговой печи до получения гомогенного расплава, который затем гранулировали путем слива в подогретую до 50°С воду. При этом образовывались однородные частицы флюса стекловидного строения, темного цвета, с размером зерна 0,25...1,60 мм.

Готовый флюс имеет следующий химический сослав, вес.%: SiO₂ - 32,6; MnO - 28,5; MgO - 21,4; CaO - 6,4; CaF₂ - 3,2; Al₂О₃ - 3,6; Fe₂О₃, - 1,8; TiO₂ - 2,1; S - 0,2; Р - 0,2.

Результаты испытания предлагаемого флюса в сравнении с прототипом, аналогами и предлагаемым составом с другим соотношением ингредиентов представлены в таблице.

Приведенные в таблице данные подтверждаются актом испытаний заявляемого флюса, прилагаемым к настоящей заявке.

Таким образом, использование изобретения позволяет достичь следующих результатов:

1. При условии соблюдения отношения содержания основных и кислых окислов на уровне 1,10...1,16, это обеспечивает оптимальное соотношение кремния и марганца в наплавленном металле и позволяет снизить критическую скорость закалки, и повысить стойкость наплавленного металла абразивного износа.

2. Добавление оксида титана и незначительное увеличение процентного содержания в предлагаемом флюсе примесей в виде кислых оксидов алюминия и железа ведет к уменьшению количества кристаллизационных трещин в наплавляемом металле.

3. Оптимальное соотношение основных оксидов CaO, MgO позволяет при повышенных температурах улучшается отделимость шлаковой корки.

Реализация потенций предлагаемого изобретения позволяет восстанавливать детали с одновременным повышением показателей качества наплавленного слоя.

Флюс может быть использован для механизированной сварки при восстановлении изношенных деталей, работающих в условиях абразивного износа. Флюс для электродуговой сварки содержит компоненты в следующем соотношении, вес.%: SiO₂ 28-34; MnO 24-29; MgO 18-22; CaO 5-7; CaF₂ 5-7, Al₂О₃ до 5; TiO₂ до 2,5; Fe₂O₃ до 2,5; S до 0,2 и Р до 0,2. Основность флюса составляет 1,10...1,16. Использование флюса позволяет наплавлять детали из конструкционных сталей с высокими качественными показателями, износостойкость наплавленных поверхностей составляет 157% по отношению к не наплавленным. 1 табл.

Флюс для электродуговой сварки, содержащий SiO₂, MnO, СаО, CaF₂, MgO, Al₂O₃, Fe₂O₃, S и Р, отличающийся тем, что он дополнительно содержит TiO₂ при следующем соотношении компонентов, мас.%:

SiO₂28-34MnO24-29MgO18-22СаО5-7CaF₂5-7Al₂O₃до 5Fe₂O₃до 2,5TiO₂до 2,5Sдо 0,2Рдо 0,2,

при этом основность флюса составляет 1,10-1,16.